Spezifität, Struktur und Funktion der Lantibiotika-Immunitätsproteine SpaI und NisI

• Antragsteller: Professor Dr. Karl-Dieter Entian; Professor Dr. Jens Wöhnert
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 240920551

Lantibiotika sind Peptid-Antibiotika mit charakteristischen Lanthionin-Ringstrukturen, die ribosomal synthetisiert und post-translational modifiziert werden. Die antibiotische Wirkung der Lantibiotika Subtilin von Bacillus subtilis und Nisin von Lactococcus lactis basiert auf ihrer Bindung an das Zellwandbiosynthesemolekül Lipid II und der Bildung multimerer Lantibiotika/Lipid II Membranporenkomplexe. Lantibiotika-Produzenten sind gegen ihr eigenes Lantibiotikum sensitiv. Zum Selbstschutz exprimieren sie ein membrangebundenes Immunitätsprotein, LanI und einen davon unabhängigen ABC-Transporterkomplex. Die Wirkungsweise und der molekulare Mechanismus der durch LanI vermittelten Immunität sind noch unbekannt. Obwohl Subtilin und Nisin strukturell sehr ähnlich sind, sind die Immunitätsproteine SpaI und NisI hochselektiv für das jeweilige Lantibiotikum. Wir konnten die NMR-Struktur des SpaI-Proteins in Lösung bestimmen, die ein bisher noch unbeschriebenes Faltungsmuster aufweist, weshalb sich zunächst keine direkten Schlussfolgerungen zum Immunitätsmechanismus ergaben. Zurzeit ziehen wir vier mögliche Funktionsweisen für die Immunitätsproteine in Betracht, die wir im Verlauf der Arbeiten überprüfen wollen: (A) das Abfangen der Lantibiotika bevor diese die Cytoplasmamembran erreichen (Abfangfunktion), (B) die Interaktion der LanI-Proteine mit entstandenen Lantibiotika/Lipid II Komplexen zur Verhinderung der Porenbildung (Komplexinhibierung) (C) die Interaktion der Immunitätsproteine mit vorhandenen Lantibiotika/Lipid II Poren und deren Zerstörung (Porenzerstörung) sowie (D) das Verschließen von Lantibiotika/Lipid II Poren durch Auflagerung eines oder mehrerer Immunitätsproteine (Porenverschluss). Ziel der Arbeiten ist es, durch vergleichende Untersuchungen der beiden funktionell homologen aber strukturell wahrscheinlich unterschiedlichen Proteine SpaI und NisI mit molekulargenetischen, biochemischen und biophysikalischen Methoden den molekularen Mechanismus der SpaI und NisI vermittelten Immunitätsreaktion zu verstehen und die Spezifität der Immunitätsproteine SpaI und NisI für die jeweiligen Lantibiotika sowie deren Wechselwirkungen mit der Membran molekular aufzuklären. Das Verstehen des molekularen Wirkmechanismus und damit auch der hohen Spezifität ist darüber hinaus auch für eine mögliche Nutzung von Nisin- und Subtilinvarianten mit veränderten antibiotischen Eigenschaften von großer Bedeutung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen